CN110410575A - 一种面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，所述微型电磁驱动器包括外壳，外壳为下端开口的中空的圆柱体，外壳的底部固定设有阀座，阀座底部设有薄玻璃片，薄玻璃片设置在阀体的上面；所述外壳内的上部设有铁磁空壳，铁磁空壳内设有静铁铁芯，静铁铁芯四周设有线圈，线圈与外部电源相连接；所述外壳内的下部设有动铁衔铁，动铁衔铁与静铁铁芯相匹配，动铁衔铁下端固定设有阀芯，阀芯与阀体相匹配。本发明结构简单、尺寸小，驱动装置能够移动，因此多个微阀只需要一个驱动装置，不影响PDMS微流控芯片的进一步集成，而且该移动式电磁驱动微阀封装方便，随装随拆，便于携带。

Description

一种面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀

技术领域

本发明涉及材料和微机械技术领域，特别是指一种面向PDMS微流控芯片的移动式电磁驱动微阀。

背景技术

目前用于PDMS气动微流控芯片片上微阀有多种驱动方式，包括双金属、静电、压电效应、热气膨胀、形状记忆合金、气动驱动等。双金属驱动微阀能量效率不高；静电驱动微阀不仅需要很高的驱动电压，且外部支撑体积较大；压电效应驱动微阀需要较高的驱动电压（几百伏以上）；热气膨胀驱动微阀缺点是产生较高的温度，容易破坏生物试剂的活性；形状记忆合金驱动微阀难以精确控制位移量。而且，以上阀控设备，除气动膜阀外，其它驱动设备均位于微流控芯片上部，且不可移动，每个微阀均需要一个驱动装置，数量极多，体积庞大，影响微流控芯片的进一步集成。气动膜阀虽然体积小，控制驱动系统位于芯片外部，但一个片上膜阀的动作需要一个芯片外部的三通常规尺寸伺服阀的控制，高密度气动微流控芯片上集成上千个气动膜阀的动作需要多个芯片外部的常规尺寸伺服阀或比例阀来控制，因此气动膜阀片外控制驱动系统体积庞大且价格高。目前PDMS微流控芯片片上微阀主要存在以下不足：1）需要外加驱动装置提供驱动力，因此系统整体结构较为复杂，加工和集成化难度较大；2）有的驱动装置虽然体积很小，但难以精确控制位移量，导致阀控精度差；3）需要高电压、高温等特殊条件，导致PDMS微流控芯片用途受限；4）每个片上微阀均需要一个驱动装置，高度集成的PDMS微流控芯片需要多个驱动装置，体积庞大，影响PDMS气动微流控芯片的进一步集成；5）远远不能满足PDMS微流控芯片系统便于携带、低功耗的需求。

发明内容

针对现有PDMS微流控芯片片上微阀结构复杂、加工难度高、阀控精度差、总体体积大、影响PDMS气动微流控芯片的大规模集成的技术问题，本发明提出了一种面向PDMS微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，结构简单、尺寸小（毫米级别），驱动装置能够移动，因此多个微阀只需要一个驱动装置，不影响PDMS微流控芯片的进一步集成，而且该移动式电磁驱动微阀封装方便，随装随拆，便于携带。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，所述微型电磁驱动器包括外壳，外壳为下端开口的中空的圆柱体，外壳的底部固定设有阀座，阀座底部设有薄玻璃片，薄玻璃片设置在阀体的上面；所述外壳内的上部设有铁磁空壳，铁磁空壳内设有静铁铁芯，静铁铁芯四周设有线圈，线圈与外部电源相连接；所述外壳内的下部设有动铁衔铁，动铁衔铁与静铁铁芯相匹配，动铁衔铁下端固定设有阀芯，阀芯与阀体相匹配。

所述阀体包括阀膜和厚膜，阀膜与薄玻璃片相连接，阀膜与厚膜相连接，厚膜内设有微流道，微流道与阀芯垂直对应。

所述动铁衔铁上套有复位弹簧，复位弹簧的一端与外壳固定连接，复位弹簧的另一端与阀芯固定连接。

所述阀座为圆环形的阀座，阀座设置在外壳的底部，阀座中部设有阀芯，阀芯上部固定设有限位环，限位环与复位弹簧固定连接，阀座的下部设有限位销，限位销设有两个，两个限位销对称的设置在阀座的下部，限位销分别与限位环相匹配。

所述外壳是由塑料制成的壳体，阀芯是由塑料制成的阀芯，阀体是由PDMS高弹材料制成的阀体。

所述薄玻璃片的厚度为0.17mm，薄玻璃片的宽度小于阀座的圆环宽度，阀芯的形状为圆锥形，阀芯的顶端直径为1mm，阀膜的厚度为0.1mm，厚膜的厚度为5mm，微流道的深度为0.1mm、宽度为0.5mm。

本技术方案能产生的有益效果：

1）微型驱动器底部采用薄玻璃片结构，有利于和PDMS材料进行可逆封接，且封接强度高；

2）颠覆以往每个微阀均需要一个驱动器的设计理念，该微型驱动器属于移动式设备，可任意和需要阀控的阀体进行可逆封接，随意拆装，节省能源和空间；

3）解决以往的片上微阀结构复杂、体积庞大等问题，该微阀结构简单、尺寸小，尺寸可达到毫米级，便于携带；

4）本发明的阀体结构采用PDMS高弹材料，不会对微流控芯片的大规模集成造成影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的通电状态时的剖面结构示意图。

图2为本发明的断电状态时的剖面结构示意图。

图中，1-微型电磁驱动器，101-外壳，102-铁磁空壳，103-线圈，104-静铁铁芯，105-动铁衔铁，106-复位弹簧，107-限位销，108-阀座，109-薄玻璃片，110-阀芯，110-1-限位环，2-阀体，201-阀膜，202-厚膜，203-微流道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，包括微型电磁驱动器1和阀体2，微型电磁驱动器1与阀体2相连接，形成可逆封接，通过微型电磁驱动器1的电源的通断，实现了阀芯110的上下移动，从而实现整个装置的开启和关闭。所述微型电磁驱动器1包括外壳101，外壳101的材质为塑料，起到隔离磁场和绝缘作用。外壳101为下端开口的中空的圆柱体，外壳101的底部固定设有阀座108，所述阀座108为圆环形的阀座，阀座108设置在外壳101的底部，阀座108中部设有阀芯110，阀座108的作用有两个，一是固定限位销107，限制阀芯110的动作幅值；二是底部粘有薄玻璃片，为了使微型电磁驱动器1和阀体2更好的形成可逆封接。阀座108下部设有限位销107，限位销107设有两个，两个限位销107对称的设置在阀座108的下部，限位销107分别与阀芯110相匹配，阀芯110上部固定设有限位环110-1，限位环110-1与限位销107相匹配，用于控制阀芯110凸出薄玻璃片109的长度为0.12mm。阀座108底部固定设有薄玻璃片109，薄玻璃片109设置在阀座108的外侧，薄玻璃片109的厚度为0.17mm，薄玻璃片109的宽度小于阀座108的圆环宽度，薄玻璃片109通过胶水粘在阀座108的底部，不会阻碍阀体110的上下移动，薄玻璃片109设置在阀体2的上面，使微型电磁驱动器1和阀体2封装在一起，并实现了可逆封接。所述外壳101内的上部设有铁磁空壳102，铁磁空壳102内设有静铁铁芯104，静铁铁芯104四周设有线圈103，线圈103与外部电源相连接，用于给线圈103提供电压，从而磁化静铁铁芯104；静铁铁芯104上部的线圈103的端部连接接直流电源负极，静铁铁芯104下部的线圈103的端部引出101后连接直流电源正极，直流电源的电压为24V。直流电磁铁在吸合过程中和吸合后，都比较平稳，不会产生噪声，而且动作迅速。电压为24V的直流电源属于安全电压，能为阀芯110提供较大的动力。所述外壳101内的下部设有动铁衔铁105，动铁衔铁105与静铁铁芯104相匹配，静铁铁芯104和动铁衔接105在线圈103通电状态下被磁化，成为极性相反的两块磁铁，产生电磁吸力，动铁衔接105向上移动进入外壳101内与静铁铁芯104连接在一起；当线圈103断电时，静铁铁芯104和动铁衔接105分离，动铁衔接105向下移动凸出外壳101底端。动铁衔铁105上套有复位弹簧106，复位弹簧106一端与外壳101相连接，复位弹簧106的另一端与阀芯110上的限位环110-1相连接，动铁衔铁105在复位弹簧106的作用下返回原来的释放位置，动铁衔铁105下端固定设有阀芯110，当动铁衔铁105移动时，阀芯110随之移动，阀芯110的移动位移在0.15mm左右，阀芯110是由塑料制成的，阀芯110的形状为圆锥形，便于阀芯110向下移动过程中不会损坏阀膜201，阀芯110的顶端直径为1mm，阀芯110与阀体2相匹配。

如图2所示，所述阀体2包括阀膜201和厚膜202，阀膜201与薄玻璃片109相连接，阀膜201与厚膜202相连接，厚膜202上部设有微流道203，微流道203与阀芯110垂直对应相匹配。阀膜201的厚度为0.1mm，厚膜203的厚度为5mm，微流道202的深度为0.1mm、宽度为0.5mm。厚膜203的长度根据PDMS微流控芯片微流道网络而定，厚膜203的长度大于10mm，便于阀体2封接微型电磁驱动器1。阀体2属于PDMS微流控芯片的一部分，因此阀体2的材料即是制备微流控芯片流行材料-PDMS高弹材料，PDMS高弹材料透明便于用肉眼使微型电磁驱动器1的阀芯110和阀体2对齐封装，而且PDMS阀膜201平整而柔软，变形能力强，允许有较大变形，柔韧性好，不易断裂，而且能够充当弹垫的作用，防止电磁驱动微阀关闭时漏气。

工作原理：当线圈103通电后，静铁铁芯104和动铁衔铁105之间的电磁吸力大于复位弹簧106的反作用力时，动铁衔铁105开始向静铁铁芯104方向运动，带动阀芯110向上移动；当线圈103中的电流小于某一定值或者中断供电时，静铁铁芯104和动铁衔铁105之间的电磁吸力小于复位弹簧106的反作用力，动铁衔铁105在复位弹簧106的反作用力的作用下返回原来的释放位置，阀芯110向下移动，阀芯110与微流道203相连接，阻断阀膜201内的液体流动。通过控制微型电磁驱动器1的电压通断，带动阀芯110的上下移动，从而实现微通道的开启和关闭，阀控结束后，微型电磁驱动器1可随意拆卸，当下次需要时，再次与需要进行阀控的PDMS阀体进行可逆封接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，其特征在于，包括微型电磁驱动器（1）和阀体（2），微型电磁驱动器（1）与阀体（2）相连接；所述微型电磁驱动器（1）包括外壳（101），外壳（101）为下端开口的中空的圆柱体，外壳（101）的底部固定设有阀座（108），阀座（108）底部设有薄玻璃片（109），薄玻璃片（109）设置在阀体（2）的上面；所述外壳（101）内的上部设有铁磁空壳（102），铁磁空壳（102）内设有静铁铁芯（104），静铁铁芯（104）四周设有线圈（103），线圈（103）与外部电源相连接；所述外壳（101）内的下部设有动铁衔铁（105），动铁衔铁（105）与静铁铁芯（104）相匹配，动铁衔铁（105）下端固定设有阀芯（110），阀芯（110）与阀体（2）相匹配。

2.根据权利要求1所述的面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，其特征在于，所述阀体（2）包括阀膜（201）和厚膜（202），阀膜（201）与薄玻璃片（109）相连接，阀膜（201）与厚膜（202）相连接，厚膜（202）内设有微流道（203），微流道（203）与阀芯（110）垂直对应。

3.根据权利要求1所述的面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，其特征在于，所述动铁衔铁（105）上套有复位弹簧（106），复位弹簧（106）的一端与外壳（101）固定连接，复位弹簧（106）的另一端与阀芯（110）固定连接。

4.根据权利要求1所述的面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，其特征在于，所述阀座（108）为圆环形的阀座，阀座（108）设置在外壳（101）的底部，阀座（108）中部设有阀芯（110），阀芯（110）上部固定设有限位环（110-1），限位环（110-1）与复位弹簧（106）固定连接，阀座（108）的下部设有限位销（107），限位销（107）设有两个，两个限位销（107）对称的设置在阀座（108）的下部，限位销（107）分别与限位环（110-1）相匹配。

5.根据权利要求1或3所述的面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，其特征在于，所述外壳（101）和阀芯（110）均是由塑料制成的，阀体（2）是由PDMS高弹材料制成的。

6.根据权利要求1或2所述的面向微流控芯片的移动式电磁驱动微阀，其特征在于，所述薄玻璃片（109）的厚度为0.17mm，薄玻璃片（109）的宽度小于阀座（108）的圆环宽度，阀芯（110）的形状为圆锥形，阀芯（110）的顶端直径为1mm，阀膜（201）的厚度为0.1mm，厚膜（203）的厚度为5mm，微流道（202）的深度为0.1mm、宽度为0.5mm。